KR20220052926A - Method for making organic carbonates - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이는 반응 구역에서 물 및 촉매의 존재 하에 이산화탄소와 알코올을 접촉시켜 상기 유기 카보네이트를 제조하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 유기 카보네이트는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 제거된다.The present invention relates to a process for preparing an organic carbonate, comprising the step of contacting carbon dioxide with an alcohol in the presence of water and a catalyst in a reaction zone to produce the organic carbonate, wherein the organic carbonate is continuously discharged from the reaction zone. is removed with
Description
본 발명은 유기 카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing organic carbonates.
디알킬 카보네이트, 디아릴 카보네이트 및 알킬렌 카보네이트와 같은 유기 카보네이트는 화학 산업에서 널리 사용된다. 유기 카보네이트는 낮은 독성으로 인해 용매로, 및 고분자 제조용 단량체 및 기타 여러 용도로 널리 사용되고 있다. 중합체를 형성하기 위한 단량체로서의 카보네이트의 사용이 팽창하여, 세계 시장에서의 이의 수요를 크게 증가시킬 수 있다. 유기 카보네이트는 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리우레탄 및 폴리아미드 제조를 위한 중요한 전구체이다. 또한, 유기 카보네이트는 화학 알코올 정제 또는 의료 또는 화장품 용도를 위한 중간체 또는 리튬 배터리용 고유전율 성분 또는 분리용 매제(entrainer) 또는 용매 또는 연료 옥시게네이트(oxygenate) 첨가제로 사용될 수 있다.Organic carbonates such as dialkyl carbonates, diaryl carbonates and alkylene carbonates are widely used in the chemical industry. Because of their low toxicity, organic carbonates are widely used as solvents and as monomers for polymer production and many other uses. The use of carbonates as monomers to form polymers may expand, greatly increasing their demand in the global market. Organic carbonates are important precursors for the production of polycarbonates, polyesters, polyurethanes and polyamides. In addition, organic carbonates can be used as intermediates for chemical alcohol purification or medical or cosmetic applications, or as high-k component for lithium batteries or as entrainers for separation or as solvent or fuel oxygenate additives.
현재 및 기존의 합성 기술은 포스겐을 빌딩 블록으로 사용하는 것을 특징으로 하며, 이는 여러 국가에서 금지되어 있기 때문에, 유기 카보네이트 합성을 위한 새로운 방법론의 개발이 전 세계적으로 많은 주목을 받고 있다. 디메틸 카보네이트 (DMC: dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트 (DEC: diethyl carbonate)와 같은 유기 카보네이트의 포스겐-무함유 합성(phosgene-free synthesis)이 많은 주목을 받고 있다. 개선된 유기 카보네이트 제조 방법을 개발할 지속적인 필요가 존재한다. 본 발명의 목적은 기술적으로 유리하고 효율적이며 저렴한 유기 카보네이트 제조 방법을 제공하는 것이다.Since current and existing synthetic techniques are characterized by the use of phosgene as a building block, which is banned in several countries, the development of new methodologies for the synthesis of organic carbonates has attracted much attention worldwide. The phosgene-free synthesis of organic carbonates such as dimethyl carbonate (DMC) and diethyl carbonate (DEC) is receiving a lot of attention. There is a continuing need to develop improved processes for preparing organic carbonates. It is an object of the present invention to provide a technologically advantageous, efficient and inexpensive process for preparing organic carbonates.
놀랍게도, 전술한 유기 카보네이트 제조 방법은, 반응 구역에서 물 및 촉매의 존재 하에 이산화탄소가 알코올과 접촉되어 상기 유기 카보네이트를 제조하고, 상기 유기 카보네이트는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 제거되는 방법으로서 제공된다는 것이 발견되었다.Surprisingly, it has been found that the process for preparing organic carbonate as described above is provided as a process wherein carbon dioxide is contacted with an alcohol in the presence of water and a catalyst in a reaction zone to produce the organic carbonate, wherein the organic carbonate is continuously removed from the reaction zone became
따라서, 본 발명은 유기 카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이는 반응 구역에서 물 및 촉매의 존재 하에 이산화탄소와 알코올을 접촉시켜 상기 유기 카보네이트를 제조하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 유기 카보네이트는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 제거된다.Accordingly, the present invention relates to a process for preparing an organic carbonate, comprising the step of contacting carbon dioxide with an alcohol in the presence of water and a catalyst in a reaction zone to produce said organic carbonate, wherein said organic carbonate is produced in said reaction zone are continuously removed from
촉매의 존재 하에 알코올과 이산화탄소를 반응시켜 유기 카보네이트와 물을 제조함으로써 상기 유기 카보네이트를 제조하는 것은 공지되어 있다. 이 반응 유형에 대한 문헌 개요는 문헌["Studies in Surface Science and Catalysis", volume 178, 2019, Elsevier B.V.]의 7장 3.2절의 T. Tabanelli 등에 의한 "Conversion of CO2 to Valuable Chemicals: Organic Carbonate as Green Candidates for the Replacement of Noxious Reactants"에 제공되어 있다. 상기 개요에서, 알코올 및 디올을 사용한 CO2 직접 축합 반응은 상기 반응에 대한 불리한 열역학적 평형과 관련된 여러 장애를 겪는 것으로 인식되고 있다. 상기 개요에는, 반응 매질로부터의 물의 연속적인 제거는 상기 불리한 평형을 생성물 쪽으로 이동시킬 것이라고 언급되어 있다. 상기 개요에 따른 해결책은 효과적인 탈수제의 사용이다. 그러나, 본 발명에서 요구되는 유기 카보네이트 생성물의 연속적인 제거는 상기 개요에 개시되거나 제안되어 있지 않다.It is known to prepare the organic carbonate by reacting an alcohol and carbon dioxide in the presence of a catalyst to prepare an organic carbonate and water. A literature overview of this type of reaction is provided in "Conversion of CO 2 to Valuable Chemicals: Organic Carbonate as Green" by T. Tabanelli et al. in Chapter 7 Section 3.2 of "Studies in Surface Science and Catalysis", volume 178, 2019, Elsevier BV. Candidates for the Replacement of Noxious Reactants". In the above overview, it is recognized that the CO 2 direct condensation reaction with alcohols and diols suffers from several obstacles associated with the unfavorable thermodynamic equilibrium for the reaction. It is stated in the above outline that the continuous removal of water from the reaction medium will shift the unfavorable equilibrium towards the products. A solution according to the above outline is the use of effective dehydrating agents. However, the continuous removal of the organic carbonate product required in the present invention is not disclosed or suggested in the above outline.
도 1은 본 발명의 일 실시형태를 도시한다.1 shows an embodiment of the present invention.
본 발명의 방법 및 상기 방법에 사용되는 스트림 또는 조성물이, 각각, 하나 이상의 다양한 기술된 단계 및 성분을 "포함하는(comprising, including)" 또는 "함유하는(containing)" 것으로 기술되어 있을 수 있지만, 이들은 또한, 각각, 상기 하나 이상의 다양한 기술된 단계 및 성분으로 "본질적으로 구성된(consist essentially of)" 또는 "구성된(consist of)" 것일 수 있다.Although the process of the present invention and the stream or composition used in the process may be described as "comprising, including" or "containing" one or more of the various described steps and components, respectively, They may also be “consist essentially of” or “consist of” one or more of the various described steps and components, respectively, above.
본 발명의 맥락에서, 스트림 또는 조성물이 2개 이상의 성분을 포함하는 경우, 이들 성분은 100%를 초과하지 않는 전체 양으로 선택되어야 한다.In the context of the present invention, if a stream or composition comprises two or more components, these components should be selected in total amounts not exceeding 100%.
또한 특성에 대해 상한 및 하한이 인용된 경우, 상한 중 임의의 것과 하한 중 임의의 것의 조합에 의해 정의된 값들의 범위도 또한 암시된다.Also, where upper and lower limits are recited for a property, the range of values defined by the combination of any of the upper and lower limits is also implied.
하기의 실시예 및 예시에서, 상기 증류 컬럼으로의 상이한 공급물 스트림들의 위치 및 상기 증류 컬럼으로부터의 생성물 스트림들의 위치는 상기 성분들이 이들의 상대적 휘발성에 의해 요구되는 곳으로 향하도록 선택된다. 이것은, 화학 및 분리 공정을 추진하기 위해, 상이한 알코올 반응물들과 상이한 유기 카보네이트 생성물들이 상이한 공급물 위치들을 유도할 수 있음을 의미한다.In the examples and examples that follow, the location of the different feed streams to the distillation column and the location of the product streams from the distillation column are selected so that the components are directed where they are required by their relative volatility. This means that different alcohol reactants and different organic carbonate products can lead to different feed locations to drive chemical and separation processes.
본 발명에서, 이산화탄소가 반응구역에서 물 및 촉매 존재 하에서 알코올과 접촉되어 유기 카보네이트를 제조한다. 목표 유기 카보네이트로서의 디메틸 카보네이트와 관련하여, 전체 반응을 하기에 설명한다:In the present invention, carbon dioxide is contacted with alcohol in the presence of water and a catalyst in a reaction zone to prepare an organic carbonate. With respect to dimethyl carbonate as the target organic carbonate, the overall reaction is described below:
CO2 + 2 CH3OH ↔ (CH3O)2C=O + H2OCO 2 + 2 CH 3 OH ↔ (CH 3 O) 2 C=O + H 2 O
알코올의 이러한 카르복실화는 열역학으로 인해 한계를 갖는다. 이것은 생성물인 유기 카보네이트 및 물에 대해 불리한 평형을 갖는다. 그러나, 본 발명에서는 상기 유기 카보네이트가 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 제거되기 때문에, 열역학적 평형이 생성물 쪽으로 유리하게 이동된다. 또한, 본 발명에서는, 촉매 외에 물이 추가로 존재해야 하며, 이러한 물은 하기에 추가로 기술되는 바와 같이 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에서, 분자체 또는 황산나트륨 또는 황산마그네슘과 같은 탈수제가 전술한 문헌 개요에서와 같이 사용되지 않는다.This carboxylation of alcohols has limitations due to thermodynamics. It has an unfavorable equilibrium for the products organic carbonate and water. However, in the present invention, since the organic carbonate is continuously removed from the reaction zone, the thermodynamic equilibrium is favorably shifted towards the product. In addition, in the present invention, water must additionally be present in addition to the catalyst, and this water may be supplied as further described below. Therefore, in the present invention, molecular sieves or dehydrating agents such as sodium or magnesium sulfate are not used as in the above literature summary.
또한, 유리하게는, 본 발명은 이산화탄소 (예를 들어, 연도 가스로부터 채취됨) 및 예를 들어, 발효로부터 유래할 수 있는 (바이오)에탄올 및 일반적으로 물을 함유하는 알코올 공급물 스트림으로부터 출발하는 유기 카보네이트의 직접 합성을 가능하게 한다. 어쨌든 본 발명에서는 물이 필요하기 때문에, 유리하게는, 상기 물은 본 발명에서 사용하기 전에 상기 알코올로부터 분리될 필요가 없다.Also advantageously, the present invention relates to a process starting from an alcohol feed stream containing carbon dioxide (eg, taken from flue gas) and (bio)ethanol which may originate, for example, from fermentation and generally water. Allows for the direct synthesis of organic carbonates. Since water is required in the present invention anyway, advantageously, the water does not need to be separated from the alcohol prior to use in the present invention.
따라서, 본 발명에서는, 상기 유기 카보네이트가 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 제거된다. 본 방법은 바람직하게는 연속 방법이다. 바람직하게는, 상기 유기 카보네이트의 이러한 연속적인 제거는 증류 컬럼에서 반응을 수행함으로써 달성된다. 본 명세서 내에서, "증류 컬럼"은 증류가 수행되는 컬럼을 지칭하며, 상기 증류는 선택적 비등 및 응축을 이용함으로써 성분들의 액체 혼합물로부터 상기 성분들을 분리하는 방법이며, 여기서 응축된 액체의 일부는 상기 컬럼으로 재순환 (환류)되거나 되지 않을 수 있다.Accordingly, in the present invention, the organic carbonate is continuously removed from the reaction zone. The process is preferably a continuous process. Preferably, this continuous removal of the organic carbonate is achieved by carrying out the reaction in a distillation column. As used herein, "distillation column" refers to a column in which distillation is performed, wherein the distillation is a method of separating the components from a liquid mixture of components by using selective boiling and condensation, wherein a portion of the condensed liquid is It may or may not be recycled (refluxed) to the column.
이러한 방식으로, 유리하게는, 상기 유기 카보네이트의 제조 및 분리가 증류 컬럼에서 동시에 수행되어, 열역학적 평형을 생성물 쪽으로 또한 이동시켜 더 많은 유기 카보네이트를 생성한다. 따라서, 상기 반응 구역이 증류 컬럼의 일부이고 상기 유기 카보네이트가 상기 증류 컬럼으로부터 연속적으로 제거되는 것이 바람직하다. 이러한 증류 컬럼은 "반응성 증류 컬럼"으로도 지칭된다.In this way, advantageously, the production and separation of the organic carbonate are carried out simultaneously in the distillation column, thereby shifting the thermodynamic equilibrium towards the product as well to produce more organic carbonate. Accordingly, it is preferred that the reaction zone is part of a distillation column and that the organic carbonate is continuously removed from the distillation column. Such distillation columns are also referred to as "reactive distillation columns".
본 발명에서, 이산화탄소, 상기 알코올 및 물이 상기 반응 구역에 공급되는 것이 바람직하다. 이들은 개별적으로 및/또는 함께 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올과 물은 함께 상기 반응 구역에 공급될 수 있다. 상기 반응 구역에 공급되는 물의 양은, 상기 반응 구역에 공급되는 물 및 알코올의 총량을 기준으로, 1 내지 99 중량%, 바람직하게는 5 내지 95 중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 80 중량%, 가장 바람직하게는 20 내지 50 중량%일 수 있다. 본 방법에서의 물의 존재는 다양한 이점을 가질 수 있다. 첫째로, 하기에 추가로 기술되는 바와 같이, 물은 이산화탄소가 용해될 수 있는 의도된 반응에 적합한 극성 반응 매질이다. 둘째로, 하기에 추가로 기술되는 바와 같이, 물은 이산화탄소, 물, 알코올 및 유기 카보네이트를 포함하는 스트림의 임의의 추가 정제에 도움이 될 수 있다. 셋째로, 하기에 추가로 기술되는 바와 같이, 물은 본 방법에서 사용되는 촉매를 활성화 및 안정화시키기 위해 필요할 수 있다.In the present invention, it is preferred that carbon dioxide, the alcohol and water are supplied to the reaction zone. They may be supplied individually and/or together. For example, the alcohol and water may be fed to the reaction zone together. The amount of water fed to the reaction zone is, based on the total amount of water and alcohol fed to the reaction zone, from 1 to 99% by weight, preferably from 5 to 95% by weight, more preferably from 10 to 80% by weight, most Preferably, it may be 20 to 50% by weight. The presence of water in the process can have various advantages. First, as further described below, water is a polar reaction medium suitable for the intended reaction in which carbon dioxide can be dissolved. Second, as further described below, water may aid in any further purification of a stream comprising carbon dioxide, water, alcohols and organic carbonates. Third, as further described below, water may be required to activate and stabilize the catalyst used in the process.
이산화탄소는, 상기 반응 구역에 존재하는 수성 액상이 용해된 이산화탄소로 포화되는 양으로, 상기 반응 구역에 공급되는 것이 바람직하다. 이러한 용해된 이산화탄소는 "액체" 이산화탄소로도 지칭될 수 있다.Carbon dioxide is preferably supplied to the reaction zone in such an amount that the aqueous liquid phase present in the reaction zone is saturated with dissolved carbon dioxide. This dissolved carbon dioxide may also be referred to as “liquid” carbon dioxide.
본 발명에서, 이산화탄소가 제1 증류 컬럼의 반응 구역에서 물 및 촉매의 존재 하에 알코올과 접촉되어 이산화탄소, 물, 알코올 및 유기 카보네이트를 포함하는 혼합물을 제조하고, 유기 카보네이트가 상기 제1 증류 컬럼으로부터의 하부 스트림으로 상기 제1 증류 컬럼으로부터 연속적으로 제거되고, 상기 제1 증류 컬럼으로부터의 상부 스트림은 이산화탄소, 물, 알코올 및 선택적으로 유기 카보네이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 유기 카보네이트는 물과 공비 혼합물을 형성할 수 있기 때문에, 상기 상부 스트림에 존재할 수 있다. 예를 들어, 디알킬 카보네이트는 물과 공비 혼합물을 형성하는 반면 알킬렌 카보네이트는 그렇지 않은 것으로 알려져 있다. 따라서, 상기 유기 카보네이트가 디알킬 카보네이트인 경우, 이것은 상기 하부 스트림과 상기 상부 스트림 둘 모두에 있게 된다.In the present invention, carbon dioxide is contacted with an alcohol in the presence of water and a catalyst in a reaction zone of a first distillation column to produce a mixture comprising carbon dioxide, water, alcohol and organic carbonate, wherein the organic carbonate is separated from the first distillation column It is preferred that the bottom stream is continuously removed from the first distillation column, and the top stream from the first distillation column comprises carbon dioxide, water, alcohol and optionally organic carbonate. The organic carbonate may be present in the overhead stream as it may form an azeotrope with water. For example, it is known that dialkyl carbonates form azeotropes with water whereas alkylene carbonates do not. Thus, when the organic carbonate is a dialkyl carbonate, it is present in both the bottom stream and the top stream.
본 명세서 내에서, 컬럼으로부터의 "상부 스트림" 또는 "하부 스트림"은, 각각 상기 컬럼의 상부 또는 상기 컬럼의 하부로부터, 총 컬럼 길이를 기준으로 0% 내지 30%, 보다 적합하게는 0% 내지 20%, 보다 적합하게는 0% 내지 10%인 위치에서 상기 컬럼으로부터 배출되는 스트림을 지칭한다.As used herein, "top stream" or "bottom stream" from a column means from 0% to 30%, more suitably from 0% to 30%, more suitably, from the top of the column or the bottom of the column, based on the total column length, respectively. 20%, more suitably 0% to 10%, refers to the stream exiting the column.
신선한 물은 신선한 알코올이 공급되는 위치보다 높은 위치에서, 바람직하게는 상기 반응 구역의 상부 또는 그보다 높은 위치에서 상기 제1 증류 컬럼으로 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 신선한 알코올은 신선한 물이 공급되는 위치보다 낮은 위치에서, 바람직하게는 상기 반응 구역의 하부 또는 그보다 낮은 위치에서 상기 제1 증류 컬럼으로 공급되는 것이 바람직하다. 상기 반응 구역은 불균일 촉매를 함유하는 패킹(packing), 예를 들어 구조화된 패킹을 포함하는 상기 제1 증류 컬럼 내의 구역일 수 있다. "신선한" 물 또는 알코올은 재순환되지 않은 물 또는 알코올을 나타낸다. 대안적으로 또는 추가적으로, 신선한 물 및 신선한 알코올은, 바람직하게는 상기 반응 구역의 하부 또는 그보다 낮은 위치에서, 수성 알코올 스트림의 일부로서 함께 공급될 수 있다. 또한, 이산화탄소는 신선한 알코올이 공급되는 위치보다 낮은 위치에 공급되는 것이 바람직하다. 질소와 같은 불활성 가스가 상기 이산화탄소와 함께 공급될 수 있다. 또한, 이산화탄소는 물과 함께 공급될 수 있다. 유리하게는, 물은 이산화탄소와 물 모두를 포함하는 공급물 스트림으로부터 제거될 필요가 없는데, 이는, 어쨌든 본 방법에서는, 특히 전술한 바와 같이 상기 이산화탄소를 용해시키기 위해, 물이 필요하기 때문이다. 본 발명에서, 5 내지 100 중량%의 이산화탄소를 포함하고 나머지 양의 불활성 기체 및/또는 물을 포함하는 스트림이 공급될 수 있다.Fresh water is preferably fed to the first distillation column at a position higher than the position at which fresh alcohol is fed, preferably at or above the reaction zone. In addition, it is preferred that fresh alcohol is fed to the first distillation column at a position lower than the position where fresh water is supplied, preferably at a position lower or lower than the reaction zone. The reaction zone may be a zone in the first distillation column comprising a packing containing a heterogeneous catalyst, for example a structured packing. "Fresh" water or alcohol refers to water or alcohol that has not been recycled. Alternatively or additionally, fresh water and fresh alcohol may be fed together as part of the aqueous alcohol stream, preferably at a location below or below the reaction zone. In addition, the carbon dioxide is preferably supplied at a position lower than the position at which fresh alcohol is supplied. An inert gas such as nitrogen may be supplied together with the carbon dioxide. Also, carbon dioxide may be supplied with water. Advantageously, water does not need to be removed from the feed stream comprising both carbon dioxide and water, since in any case water is needed in the process, in particular to dissolve said carbon dioxide as described above. In the present invention, a stream comprising 5 to 100% by weight of carbon dioxide and the remainder comprising inert gas and/or water may be fed.
상기 제1 증류 컬럼으로부터의 전술한 상부 스트림이 이산화탄소, 물, 알코올 및 유기 카보네이트를 포함하는 경우, 상기 상부 스트림은, 이산화탄소를 포함하는 기체 스트림, 유기 카보네이트 및 알코올을 포함하는 제1 액체 스트림 및 알코올 및 물을 포함하는 제2 액체 스트림으로 적어도 부분적으로 응축 및 분리되는 것이 바람직하다. 후자의 분리는 디캔터(decanter)를 사용함으로써 수행될 수 있다. 이산화탄소를 포함하는 분리된 스트림은 상기 공정으로부터 제거되거나 상기 제1 증류 컬럼으로 재순환될 수 있다. 추가적인 유기 카보네이트가 회수되고 알코올이 상기 반응 구역으로 재순환될 수 있도록, 유기 카보네이트 및 알코올을 포함하는 분리된 스트림은 상기 제1 증류 컬럼으로 재순환될 수 있다. 또한, 상기 스트림은, 상기 반응 구역의 하부보다 낮으며 신선한 알코올이 공급되는 위치보다 낮은 위치에서 상기 제1 증류 컬럼으로 공급되는 것이 바람직하다. 알코올 및 물을 포함하는 분리된 스트림은, 알코올을 포함하는 스트림과 물을 포함하는 스트림으로의 분리가 수행되는 제2 증류 컬럼에 공급될 수 있다. 상기 제2 증류 컬럼으로부터의 알코올을 포함하는 분리된 스트림은 상기 제1 증류 컬럼으로 재순환될 수 있다. 상기 스트림은 개별적으로 또는 신선한 알코올과 함께 상기 제1 증류 컬럼에 공급될 수 있다. 상기 제2 증류 컬럼으로부터의 물을 포함하는 분리된 스트림은 상기 공정으로부터 제거될 수 있다.When the aforementioned overhead stream from the first distillation column comprises carbon dioxide, water, alcohol and organic carbonate, the overhead stream comprises a gas stream comprising carbon dioxide, a first liquid stream comprising organic carbonate and alcohol and an alcohol. and at least partially condensed and separated into a second liquid stream comprising water. The latter separation can be performed by using a decanter. The separated stream comprising carbon dioxide may be removed from the process or recycled to the first distillation column. The separated stream comprising organic carbonate and alcohol may be recycled to the first distillation column so that additional organic carbonate may be recovered and the alcohol recycled to the reaction zone. It is also preferred that the stream is fed to the first distillation column at a position lower than the bottom of the reaction zone and lower than a position where fresh alcohol is fed. The separated stream comprising alcohol and water may be fed to a second distillation column in which separation into a stream comprising alcohol and a stream comprising water is performed. The separated stream comprising alcohol from the second distillation column may be recycled to the first distillation column. The stream may be fed to the first distillation column individually or together with fresh alcohol. A separated stream comprising water from the second distillation column may be removed from the process.
바람직하게는, 상기 반응 구역의 온도는 50 내지 200℃, 보다 바람직하게는 60 내지 160℃, 가장 바람직하게는 70 내지 140℃이다. 또한, 바람직하게는, 상기 반응 구역의 압력은 5 mbar 내지 10 bar, 보다 바람직하게는 10 mbar 내지 5 bar이다. 압력은, 상기 반응 구역의 원하는 비등 온도가 실현되도록 선택 및 설정될 수 있다.Preferably, the temperature of the reaction zone is between 50 and 200 °C, more preferably between 60 and 160 °C and most preferably between 70 and 140 °C. Also preferably, the pressure in the reaction zone is from 5 mbar to 10 bar, more preferably from 10 mbar to 5 bar. The pressure can be selected and set such that the desired boiling temperature of the reaction zone is realized.
본 발명에서, 상기 알코올은 방향족 C5-C9 알코올 및/또는 지방족 C1-C30 알코올일 수 있다. 상기 방향족 C5-C9 알코올은 페놀일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에서, 상기 알코올은 지방족 C1-C30 알코올이다. 바람직하게는, 상기 지방족 C1-C30 알코올은 1 내지 10개의 탄소 원자, 보다 바람직하게는 1 내지 5개의 탄소 원자, 가장 바람직하게는 1 내지 3개의 탄소 원자를 갖는다. 또한, 바람직하게는, 상기 지방족 C1-C30 알코올은 메탄올, 에탄올 및 이소프로판올, 보다 바람직하게는 메탄올 및 에탄올, 가장 바람직하게는 에탄올로부터 선택된다.In the present invention, the alcohol may be an aromatic C 5 -C 9 alcohol and/or an aliphatic C 1 -C 30 alcohol. The aromatic C 5 -C 9 alcohol may be phenol. Preferably, in the present invention, the alcohol is an aliphatic C 1 -C 30 alcohol. Preferably, the aliphatic C 1 -C 30 alcohol has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms and most preferably 1 to 3 carbon atoms. Also preferably, the aliphatic C 1 -C 30 alcohol is selected from methanol, ethanol and isopropanol, more preferably methanol and ethanol, most preferably ethanol.
또한, 본 발명에서, 상기 알코올은 1개의 하이드록실기 (1가 알코올) 또는 2개 이상의 하이드록실기 (다가 알코올)를 함유할 수 있다. 1가 알코올의 경우, 디알킬 카보네이트 (출발 알코올이 지방족인 경우) 또는 디아릴 카보네이트 (출발 알코올이 방향족인 경우)일 수 있는 선형 유기 카보네이트가 형성된다. 다가 알코올의 경우, 하이드록실기들 중 2개, 특히 2 또는 3개의 탄소 원자에 의해 서로 분리된 2개의 하이드록실기가 이산화탄소와 반응하여 고리형 유기 카보네이트를 형성할 수 있다. 이러한 다가 알코올의 예는 모노알킬렌 글리콜, 예를 들어 모노에틸렌 글리콜 또는 모노프로필렌 글리콜이며, 이는, 이산화탄소와 반응하는 경우, 알킬렌 카보네이트, 예를 들어 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트를 형성한다. 이러한 다가 알코올의 다른 예는, 이산화탄소와 반응하는 경우 글리세롤 카보네이트를 형성하는 글리세롤이다.Further, in the present invention, the alcohol may contain one hydroxyl group (monohydric alcohol) or two or more hydroxyl groups (polyhydric alcohol). In the case of monohydric alcohols, linear organic carbonates are formed, which may be dialkyl carbonates (if the starting alcohol is aliphatic) or diaryl carbonates (if the starting alcohol is aromatic). In the case of polyhydric alcohols, two of the hydroxyl groups, in particular two hydroxyl groups separated from each other by two or three carbon atoms, can react with carbon dioxide to form a cyclic organic carbonate. Examples of such polyhydric alcohols are monoalkylene glycols such as monoethylene glycol or monopropylene glycol, which, when reacted with carbon dioxide, form alkylene carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate. Another example of such a polyhydric alcohol is glycerol, which forms glycerol carbonate when reacted with carbon dioxide.
전술한 바와 같이, 본 방법에서는, 방향족 C5-C9 알코올 및 지방족 C1-C30 알코올 둘 모두가 공급될 수 있다. 이것은, 디알킬 카보네이트 및 디아릴 카보네이트로 불균등화될 수 있는 알킬 아릴 카보네이트가 형성될 수 있다는 이점을 갖는다. 예를 들어, 본 방법에서 메탄올과 페놀의 혼합물이 사용되는 경우, 디메틸 카보네이트와 메틸 페닐 카보네이트가 형성될 수 있다. 이어서, 상기 메틸 페닐 카보네이트의 불균등화는 디페닐 카보네이트 및 추가로 디메틸 카보네이트를 생성할 것이다.As described above, in the present process, both aromatic C 5 -C 9 alcohols and aliphatic C 1 -C 30 alcohols may be fed. This has the advantage that dialkyl carbonates and alkyl aryl carbonates that can be disproportionated to diaryl carbonates can be formed. For example, when a mixture of methanol and phenol is used in the process, dimethyl carbonate and methyl phenyl carbonate may be formed. This disproportionation of the methyl phenyl carbonate will then produce diphenyl carbonate and further dimethyl carbonate.
본 발명에서는, 촉매가 사용되어야 한다. 이산화탄소 및 알코올로부터의 유기 카보네이트의 형성을 촉매하는 임의의 촉매가 사용될 수 있다.In the present invention, a catalyst must be used. Any catalyst that catalyzes the formation of organic carbonates from carbon dioxide and alcohols can be used.
상기 촉매는 산성 촉매인 것이 바람직하다. 또한, 상기 촉매는 염기성 촉매인 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 산성 및 염기성 특성을 모두 갖는 촉매가 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에서, 상기 촉매는 산성 또는 염기성일 수 있거나, 또는 산성 및 염기성 특성을 가질 수 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 촉매는 불균일 촉매이다. 또한, 바람직하게는 상기 불균일 촉매는 고정화된 촉매이며, 이는 이것이 상기 반응 구역을 떠날 수 없음을 시사한다. 불균일 촉매의 고정화는, 예를 들어 상기 반응 구역의 패킹에 상기 촉매를 혼입함으로써 달성될 수 있다.The catalyst is preferably an acid catalyst. In addition, it may be preferable that the catalyst is a basic catalyst. In general, catalysts having both acidic and basic properties can be used. Accordingly, in the present invention, the catalyst may be acidic or basic, or may have acidic and basic properties. Also preferably, the catalyst is a heterogeneous catalyst. Also preferably, the heterogeneous catalyst is an immobilized catalyst, suggesting that it cannot leave the reaction zone. Immobilization of the heterogeneous catalyst can be achieved, for example, by incorporating the catalyst into the packing of the reaction zone.
전술한 산성 촉매는 산성 수지, 구체적으로 산성 이온 교환 수지일 수 있다. 상기 산성 수지는 본 방법에 존재하는 물 및/또는 알코올을 양성자화할 수 있는 임의의 산성 수지일 수 있다. 이러한 산성 수지의 산성 작용기의 양성자는 유리하게는 상기 알코올을 활성화시켜 원하는 반응을 거칠 수 있다. 이러한 산성 수지가 사용되는 경우, 본 방법에 존재하는 물은 유리하게는, 이러한 산성 수지를 활성화시키는 것 및 안정화시키는 것 둘 모두에 사용될 수 있다. 산성 수지는 물과 접촉하는 경우 상당히 팽창할 수 있기 때문이다. 이것이 건조되는 경우, 담체 중합체 매트릭스가 부서지기 쉽게 될 수 있고, 패킹을 갖는 반응 영역에 이들을 유지하는 케이지(cage)로부터 임의의 깨진 조각이 빠져 나올 수 있다. 이것은 상기 촉매 산성 수지의 안정화와 활성화 둘 모두를 시사한다. 또한, 물은 상기 수지의 기공이 개방되고 산성 작용기가 접근할 수 있도록 유지한다.The above-mentioned acidic catalyst may be an acidic resin, specifically an acidic ion exchange resin. The acidic resin may be any acidic resin capable of protonating the water and/or alcohol present in the process. The proton of the acidic functional group of this acidic resin can advantageously activate the alcohol to undergo a desired reaction. When such acidic resins are used, the water present in the process can advantageously be used both for activating and stabilizing such acidic resins. This is because acidic resins can swell considerably when in contact with water. When it dries, the carrier polymer matrix can become brittle and any broken pieces can escape from the cage holding them in the reaction zone with the packing. This suggests both stabilization and activation of the catalytic acid resin. The water also keeps the pores of the resin open and the acidic functional groups accessible.
산성 수지의 적합한 예는 술폰화된 폴리스티렌을 기반으로 하는 산성 수지이다. 후자의 산성 수지는 술폰산 (-SO3H)기를 함유한다. 이러한 산성 수지는 거대망상 (거대다공성)일 수 있다. 술폰화된 폴리스티렌을 기반으로 하는 산성 이온 교환 수지의 적절한 상업적으로 입수 가능한 예는 Amberlyst 15 및 Amberlyst 48이다.Suitable examples of acidic resins are acidic resins based on sulfonated polystyrene. The latter acidic resin contains sulfonic acid (—SO 3 H) groups. These acidic resins may be macroreticular (macroporous). Suitable commercially available examples of acidic ion exchange resins based on sulfonated polystyrene are Amberlyst 15 and Amberlyst 48.
전형적으로, 매우 다양한 촉매가 본 발명에서 사용될 수 있다. 상기 촉매의 성질은 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 하기 참고문헌 [1] 내지 [9]에 기술된 촉매 중 하나 이상이 본 발명에서 사용될 수 있다. 상기 참고문헌의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.Typically, a wide variety of catalysts may be used in the present invention. The nature of the catalyst is not essential to the present invention. For example, one or more of the catalysts described in the following references [1] to [9] may be used in the present invention. The disclosures of these references are incorporated herein by reference.
참고문헌 [1]에 개시된 바와 같은 MgO-CeO2가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.MgO-CeO 2 as disclosed in reference [1] may be used as a catalyst in the present invention.
참고문헌 [2]에 개시된 바와 같은 유기주석 물질, 예를 들어 n-Bu2Sn(OCH3)2가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Organotin materials as disclosed in reference [2], for example, n-Bu 2 Sn(OCH 3 ) 2 may be used as catalysts in the present invention.
참고문헌 [3]에 개시된 바와 같은 유기구리 물질, 예를 들어 Cu-AC [AC = 활성 탄소]가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Organocopper materials as disclosed in reference [3], for example Cu-AC [AC = activated carbon], can be used as catalysts in the present invention.
참고문헌 [4]에 개시된 바와 같은 CeO2가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.CeO 2 as disclosed in reference [4] may be used as a catalyst in the present invention.
참고문헌 [5]는 하기를 개시한다. DMC (디메틸 카보네이트)의 직접 합성을 위한 다양한 촉매가 이미 시험되었으며, 이는 유기 금속-알콕시 화합물, 금속 산화물, 금속 지지 촉매 및 이온성 액체를 포함한다. 균형 잡힌 산성 및 염기성 특성이 메탄올 활성화를 위한 DMC 합성에서 중요한 역할을 하는 것으로 일반적으로 제안된다. 금속 산화물 연구의 대부분은 세리아 또는 지르코니아를 다룬다. 결정 구조 및 형태가 활성에 미치는 영향은 여전히 논쟁 중이다. 나노막대, 나노큐브, 팔면체 및 방추형 형태를 나타내는 세리아 촉매는 다양한 활성을 나타낸다. 일반적으로, 관찰된 경향은 혼합 산화물이 순수한 산화물보다 성능이 더 양호한 경우가 많다는 것이다. 따라서, 저자들은 변형된 세리아 및 지르코니아, 예를 들어 H3PO4-작용화된 ZrO2, Al2O3, Fe2O3로 도핑된 세리아, 세리아-지르코니아의 혼합 산화물을 탐구하였다. 참고문헌 [5]에 개시된 바와 같은 상기 촉매들 중 하나 이상이 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다. 상기 CeO2는 Al, Zn, Fe, La, Y, Gd, Sm, Zr, Nd, Nb, Ti 중 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있다.Reference [5] discloses the following. Various catalysts for the direct synthesis of DMC (dimethyl carbonate) have already been tested, including organometallic-alkoxy compounds, metal oxides, metal supported catalysts and ionic liquids. It is generally suggested that balanced acidic and basic properties play an important role in DMC synthesis for methanol activation. Most of the metal oxide studies deal with ceria or zirconia. The effect of crystal structure and morphology on activity is still debated. Ceria catalysts exhibiting nanorod, nanocube, octahedral and spindle-shaped morphologies exhibit various activities. In general, the observed trend is that mixed oxides often perform better than pure oxides. Therefore, the authors explored mixed oxides of modified ceria and zirconia, for example ceria, ceria-zirconia doped with H 3 PO 4 -functionalized ZrO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 . One or more of the above catalysts as disclosed in reference [5] may be used as catalysts in the present invention. The CeO 2 may be used in combination with at least one of Al, Zn, Fe, La, Y, Gd, Sm, Zr, Nd, Nb, and Ti.
참고문헌 [6]에 개시된 바와 같은 이트륨 산화물 Y2O3이 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Yttrium oxide Y 2 O 3 as disclosed in reference [6] can be used as a catalyst in the present invention.
참고문헌 [7]에 개시된 바와 같은 금속/활성 탄소 물질, 예를 들어 Cu-Ni/AC 및 Ru-Fe/AC [AC = 활성 탄소]가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Metal/activated carbon materials as disclosed in reference [7], such as Cu-Ni/AC and Ru-Fe/AC [AC = activated carbon], can be used as catalysts in the present invention.
참고문헌 [8]은 하기를 개시한다. 반응 중에 형성된 물을 제거하기 위해 2-시아노피리딘과 조합된 ZnO-CeO2가 사용될 수 있다. 우수한 촉매 활성은 CeO2의 결정 크기와 최적의 개수의 산성 및 염기성 부위의 통합된 효과이다. 참고문헌 [8]에 개시된 바와 같은 ZnO-CeO2 촉매가 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Reference [8] discloses the following. ZnO-CeO 2 in combination with 2-cyanopyridine can be used to remove the water formed during the reaction. The good catalytic activity is the combined effect of the crystal size of CeO 2 and the optimal number of acidic and basic sites. A ZnO-CeO 2 catalyst as disclosed in reference [8] may be used as a catalyst in the present invention.
참고문헌 [9]는 하기를 개시한다. 다양한 유형의 촉매, 예를 들어 유기주석, 구리계 촉매, 균일 및 불균일 촉매, 유기금속 착물, 포스핀, 유기 염기, 금속 산화물, 산-염기 이작용성 시스템, 제올라이트-스멕타이트 촉매 및 지지된 유기 염기 촉매가 DMC 합성에서 보고되었다. 참고문헌 [9]에 개시된 바와 같은 상기 촉매들 중 하나 이상이 본 발명에서 촉매로 사용될 수 있다.Reference [9] discloses the following. Various types of catalysts such as organotin, copper-based catalysts, homogeneous and heterogeneous catalysts, organometallic complexes, phosphines, organic bases, metal oxides, acid-base bifunctional systems, zeolite-smectite catalysts and supported organic base catalysts was reported in DMC synthesis. One or more of the above catalysts as disclosed in reference [9] may be used as catalysts in the present invention.
참고문헌 [1] 내지 [9]References [1] to [9]
[1] Pawar et al., "Understanding the synergy between MgO-CeO2 as an effective promoter and ionic liquids for high dimethyl carbonate production from CO2 and methanol", 2020, Chemical Engineering Journal 395, 124970.[1] Pawar et al., “Understanding the synergy between MgO-CeO 2 as an effective promoter and ionic liquids for high dimethyl carbonate production from CO 2 and methanol”, 2020, Chemical Engineering Journal 395, 124970.
[2] Ballivet-Tkatchenko et al., "Direct synthesis of dimethyl carbonate with supercritical carbon dioxide: characterization of a key organotin oxide intermediate", Catal. Today., 115, 2006, pages 80-87.[2] Ballivet-Tkatchenko et al., “Direct synthesis of dimethyl carbonate with supercritical carbon dioxide: characterization of a key organotin oxide intermediate”, Catal. Today., 115, 2006, pages 80-87.
[3] Merza et al., "The synthesis of dimethyl carbonate by the oxicarbonylation of methanol over Cu supported on carbon norit", Catal. Lett., 145, 2015, pages 881-892.[3] Merza et al., “The synthesis of dimethyl carbonate by the oxicarbonylation of methanol over Cu supported on carbon norit”, Catal. Lett., 145, 2015, pages 881-892.
[4] Tomishige et al., "Catalytic function of CeO2 in non-reductive conversion of CO2 with alcohols", 2020, Materials Today Sustainability, 9, 100035.[4] Tomishige et al., “Catalytic function of CeO 2 in non-reductive conversion of CO 2 with alcohols”, 2020, Materials Today Sustainability, 9, 100035.
[5] Daniel et al., "Discovery of very active catalysts for methanol carboxylation into DMC by screening of a large and diverse catalyst library", 2020, New Journal of Chemistry, 44(16), pages 6312-6320.[5] Daniel et al., “Discovery of very active catalysts for methanol carboxylation into DMC by screening of a large and diverse catalyst library”, 2020, New Journal of Chemistry, 44(16), pages 6312-6320.
[6] Sun et al., "Study of thermodynamics and experiment on direct synthesis of dimethyl carbonate from carbon dioxide and methanol over yttrium oxide", 2020, Industrial and Engineering Chemistry Research, 59(10), pages 4281-4290.[6] Sun et al., “Study of thermodynamics and experiment on direct synthesis of dimethyl carbonate from carbon dioxide and methanol over yttrium oxide”, 2020, Industrial and Engineering Chemistry Research, 59(10), pages 4281-4290.
[7] Arbelaez et al., "Transformation of carbon dioxide into linear carbonates and methane over Cu-Ni and Ru-Fe supported on pellets activated carbon", 2020, Chemical Engineering Transactions, 79, pages 109-114.[7] Arbelaez et al., “Transformation of carbon dioxide into linear carbonates and methane over Cu-Ni and Ru-Fe supported on pellets activated carbon”, 2020, Chemical Engineering Transactions, 79, pages 109-114.
[8] Challa et al., "Coupling of CH3OH and CO2 with 2-cyanopyridine for enhanced yields of dimethyl carbonate over ZnO-CeO2 catalyst", 2019, Journal of Chemical Sciences 131(8), 86.[8] Challa et al., "Coupling of CH 3 OH and CO 2 with 2-cyanopyridine for enhanced yields of dimethyl carbonate over ZnO-CeO 2 catalyst", 2019, Journal of Chemical Sciences 131(8), 86.
[9] Pawar et al., "Greener synthesis of dimethyl carbonate from carbon dioxide and methanol using a tunable ionic liquid catalyst", 2020, Open Chemistry, 17(1), pages 1252-1265.[9] Pawar et al., “Greener synthesis of dimethyl carbonate from carbon dioxide and methanol using a tunable ionic liquid catalyst”, 2020, Open Chemistry, 17(1), pages 1252-1265.
본 발명은 도 1에 추가로 예시되어 있다.The invention is further illustrated in FIG. 1 .
도 1에 도시된 바와 같은 방법에서, 물을 포함하는 액체 공급물 스트림(1), 에탄올을 포함하는 액체 공급물 스트림(2) 및 이산화탄소를 포함하는 기체 공급물 스트림(3)이 상이한 위치들에서 반응성 증류 컬럼(4)에 보내지고, 여기서, 도 1에 표시된 바와 같이, 물이 가장 높은 위치에서 공급되고 이산화탄소가 가장 낮은 위치에서 공급된다. 반응성 증류 컬럼(4)은 이산화탄소와 알코올 (예를 들어 에탄올)로부터의 유기 카보네이트 (예를 들어 디에틸 카보네이트)의 형성을 촉매할 수 있는 불균일 촉매를 함유하는 반응 구역(5)을 포함한다.1 , the liquid feed stream 1 comprising water, the
반응성 증류 컬럼(4)으로부터의 하부 스트림(7)은 원하는 생성물, 즉, 디에틸 카보네이트를 포함한다. 반응성 증류 컬럼(4)의 상부 스트림(6)은 디에틸 카보네이트, 물, 에탄올 및 이산화탄소를 포함하고, 부분 응축 단계를 통해 디캔터(8)로 보내진다. 기체 이산화탄소는 상부를 통해 디캔터(8)로부터 배출된다. 디캔터(8)에서, 2개의 액체상이 분리되며, 여기서 디에틸 카보네이트 및 에탄올을 포함하는 상부 상은 제1 액체 스트림(10)으로 반응성 증류 컬럼(4)으로 재순환되고, 에탄올 및 물을 포함하는 하부 상은 제2 액체 스트림(11)으로 증류 컬럼(12)으로 보내진다. 증류 컬럼(12)에서, 스트림(11)은 에탄올을 포함하는 상부 스트림(13)으로 분리되며, 이 스트림은, 이를 에탄올 공급물 스트림(2) 및 상기 공정으로부터 제거되는 물을 포함하는 하부 스트림(14)과 조합함으로써, 반응성 증류 컬럼(4)로 재순환된다.The bottoms stream 7 from the
Claims (10)
상기 상부 스트림은, 이산화탄소를 포함하는 기체 스트림, 유기 카보네이트 및 알코올을 포함하는 제1 액체 스트림 및 알코올 및 물을 포함하는 제2 액체 스트림으로 적어도 부분적으로 응축 및 분리되고;
유기 카보네이트 및 알코올을 포함하는 분리된 제1 액체 스트림은 상기 제1 증류 컬럼으로 재순환되고;
알코올 및 물을 포함하는 분리된 제2 액체 스트림은, 알코올을 포함하는 스트림과 물을 포함하는 스트림으로의 분리가 수행되는 제2 증류 컬럼에 공급되고;
상기 제2 증류 컬럼으로부터의 알코올을 포함하는 분리된 스트림은 상기 제1 증류 컬럼으로 재순환되는, 방법.7. The method of claim 6 wherein the overheads stream from the first distillation column comprises carbon dioxide, water, alcohol and organic carbonates;
the overheads stream is at least partially condensed and separated into a gas stream comprising carbon dioxide, a first liquid stream comprising organic carbonate and alcohol, and a second liquid stream comprising alcohol and water;
the separated first liquid stream comprising organic carbonate and alcohol is recycled to the first distillation column;
The separated second liquid stream comprising alcohol and water is fed to a second distillation column in which separation into a stream comprising alcohol and a stream comprising water is performed;
The separated stream comprising alcohol from the second distillation column is recycled to the first distillation column.
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